Прогрессия в пружинно-поршневом механизме

Здравствуйте, меня заинтересовал вопрос динамики выстрела из пневматики, почитав форум я нашёл ответы на собственные вопросы определяемые незнанием некоторых фактов, но одновременно у меня появился вопрос по конструктиву пневматических пружинных винтовок. Собственно он заключается в том, что для эффективности работы пружинно-поршневого механизма поршень должен иметь достаточно большую массу, что одновременно определяет и большие инерционнные нагрузки, поэтому и возникает вопрос, почему бы не использовать прогрессивный рычажный механизм для привода лёгкого поршня который будет давать возрастание усилия на поршне по мере его движения с одновременным снижением его скорости. При этом общее время выбега поршня будет таким же как и для простой пружины.Прогрессия может быть достаточно большой, вплоть до блокирования отскока поршня. У меня есть идеи по реализации такого механизма в различных конструктивных вариантах, но хотелось бы услышать мнение спецов собственно по физике процесса.

Книга "The Airgun from trigger to target", G.V.&G.M.Cardew.
В русском переводе от Игната Рогожкина, хотя бы здесь:
shooting-ua.com
Почему-то сайт Игната iguns.ru у меня не открывается.
А вообще-то вышепоставленный вопрос во многом решается использованием газовой пружины, динамика которой как раз близка к запрашиваемому, а конструктив намного проще.

Анатомия пневматического выстрела
Перегрузки ППП.
Высокая удельная энергетика ППП: проблемы и решения.

Стоит учитывать, что на поршень в пике может давить порядка 2 тонн для мощных ППП, таких как Х125. И порядка тонны для таких как Гамо. А в случае дизеля, который нельзя исключать, еще больше!

Originally posted by volevole:

для эффективности работы пружинно-поршневого механизма поршень должен иметь достаточно большую массу, что одновременно определяет и большие инерционнные нагрузки, поэтому и возникает вопрос, почему бы не использовать прогрессивный рычажный механизм для привода лёгкого поршня который будет давать возрастание усилия на поршне по мере его движения с одновременным снижением его скорости. При этом общее время выбега поршня будет таким же как и для простой пружины.

Хорошо, что прочитали, но очевидно не все адекватно восприняли. Инерционные нагрузки на поршень - это благо. Он тормозится на последних 7-10 мм хода. И тормозящая сила F=M*a огромная, достигающая 10 000 Н и более. В то время, как усилие при разгоне (читай усилие взвода механизма)не более 1000 Н (~100 кГс). Несмотря на это, взвод в ППП -это не очень хилая рычажная механика. Поэтому предложение воспринимать (или развивать) боевое усилие на поршне порядка 1000 кГс с помощью некоторого малогабаритного и легкого рычажного механизма, мягко говоря, сомнительно.
Что касается блокировки поршня в крайнем переднем положении, то здесь есть над чем подумать. Кажется не совсем безнадежная затея, хотя ранние попытки (обсуждались ранее) кончались поломкой механизмов ввиду опять таки очень значительных нагрузок.
По-видимому, при чтении вы упустили момент адиабатического сжатия газа с соответствующим нагревом (градусов эдак до 600-700 С) и ростом его давления. Или я не прав?
Пока писал, гуру ссылок накидали. Только не понял, Yuras, при чем тут газовая пружина?

docalex:

Пока писал, гуру ссылок накидали. Только не понял, Yuras, при чем тут газовая пружина?

Газовая пружина при том, что позволяет лучше скомпенсировать отскок. Лучше ее, чем систему рычагов.

Originally posted by YuraS:

позволяет лучше скомпенсировать отскок

Лучше, но незначительно. Там же различие на порядок величины .

по поводу газовой пружины, да, давит она ровнее, тем не менее сила её давления уменьшается по мере срабатывания, я же говорю о механизме позволяющем увеличивать усилие на поршне по мере срабатывания пружины.
Теперь что касается инерционности, больше энергии чем имеет сжатая пружина получить невозможно, (исключая дизелирование) В обычной пневматике поршень служит передаточным звеном между энергией пружины и энергией воздуха, но не простым звеном, а аккумулирующим, поскольку он накапливает кинетическую энергию, а потом отдаёт её воздуху, речь идёт о том, что бы максимально избавить поршень от функции накопления преобразуя энергию пружины(неважно стальной или газовой) в энергию сжатого воздуха без промежуточного её накопления поршнем. Что касается реализации малогабаритного механизма с усилиями в тонну и более, это вообще не проблема.

и ещё, если посмотреть на график скорости поршня, то реализация прогрессивного механизма будет означать смещение горба максимальной скорости влево, с последующим более плавным падением, это означает бОльшие ускорения поршня в начале движения и меньшие в конце, в обычной пневматике ускорение торможения поршня значительно выше ускорения его разгона, прогрессия позволит их выровнять, и максимальное ускорения поршня будет меньше чем в обычной пневматике при его торможении, плюс уменьшение массы самого поршня, я полагаю, что динамические нагрузки на винтовке можно снизить в разы, если не на порядок.

больше энергии чем имеет сжатая пружина получить невозможно, (исключая дизелирование)

По-видимому, при чтении вы упустили момент адиабатического сжатия газа с соответствующим нагревом (градусов эдак до 600-700 С) и ростом его давления.

Энергии больше и не будет, а вот сила вполне себе.

время движения поршня до точки максимального сжатия не изменится, следовательно скорость сжатия воздуха не изменится и температурных потерь не будет.

Originally posted by volevole:

время движения поршня до точки максимального сжатия не изменится, следовательно скорость сжатия воздуха не изменится и температурных потерь не будет.

Вы бы хоть схематично отрисовали, что за супер-механизм рычажный Вы себе видите между пружиной и поршнем, глядишь и обсуждение бы пошло более предметно.

Ибо сама идея, конечно, интересная, но как эту идею хотя бы схематично реализовать (и тем более заставить работать в реальных непростых условиях конечной точки полёта поршня) - сие есть большой вопрос.

------
Жизнь хороша, если есть ППШ!

а можно схему -прогрессивного рычажного механизма увидеть ,а то выходит как в купле пневмы- по поводу псп кита на мурку

хм.. дело в том, что поскольку я не встречал применения подобных механизмов в пневматическом оружии, то любая конструктивная схема является потенциально патентноспособной. Поэтому в данном случае я не буду раскрывать возможных конструктивных решений, их может быть не одно,в целом разговор может идти на уровне ноу-хау. Есть ещё один аспект в применении такого механизма. Конструктивно он может быть реализован с непривычными для пневматики упругими элементами, например торсионами, и может быть полностью уравновешен. То есть любые перемещения частей механизма не будут отображаться на винтовке в целом.

Originally posted by volevole:

в целом разговор может идти на уровне ноу-хау

Понятно. В данном случае, скорее, "don't know how, but очень хотца"

Не обижайтесь, ежели что, но выглядит со стороны именно так.

Originally posted by volevole:

То есть любые перемещения частей механизма не будут отображаться на винтовке в целом.

Есть пружинно-поршневые винтовки с двумя поршнями, разнонаправленными. Как раз для уравновешивания. Механизм недёшев и относительно капризен, хотя работает по-прежнему только на инерционности, не пытаясь как-то поменять силы или застопорить поршень в крайней точке.

Проектировать подобный механизм, действительно, можно хоть на торсионных полях. Главное осознавать основную засаду. Точнее три засады в одном флаконе.
1. Процесс отскока поршня ОЧЕНЬ быстрый. Всё происходит за сотые доли секунды и механизму надо в этом очень небольшом промежутке успеть отработать блокировку поршня.

2. Учитывая создаваемое в цилиндре пиковое давление и время на отскок поршня - силы там работаю очень немалые, оценку Вам выше приводили, порядка 10КН без проблем может оказаться. И эту силу механизму надо будет чем-то блокировать.

3. Без блокировки поршня в переднем положении перераспределять усилия пружины по ходу выстрела ИМХО толку мало: более медленный разгон в начале пути вряд ли удастся скомпенсировать ближе к концу "полёта" поршня, когда он и так по сути движется едва ли не с максимально возможной скоростью и начинает своё торможение буквально на последней паре сантиметров цилиндра. А ближе к самой передней точке расхождение между силой даже полностью сжатой пружины и силой противодействия сжатого воздуха может и в 10 раз расходиться, не в пользу пружины причём. Т.е. механизм должен мультиплицировать силу полностью сжатой пружины с плечом 10х. Внимание, вопрос, за счёт чего??? За счёт длины пружины в 10 раз увеличенной???

------
Жизнь хороша, если есть ППШ!

Т.е. механизм должен мультиплицировать силу полностью сжатой пружины с плечом 10х. Внимание, вопрос, за счёт чего??? За счёт длины пружины в 10 раз увеличенной???

Теоретически можно приводить поршень не напрямую, а через рычаг с переменным плечом. Как механизм накачки ИЖ46, только наоборот. И торсионом, наверное, это и правда удобнее.
Но подводные камни этого дела уже перечислили и по моему ТС не очень хочет принимать не удобные для него факты...

то любая конструктивная схема является потенциально патентноспособной. Поэтому в данном случае я не буду раскрывать возможных конструктивных решений

В таком случае вам придется походить по граблям самостоятельно..

Ignat:

3. Без блокировки поршня в переднем положении перераспределять усилия пружины по ходу выстрела ИМХО толку мало: более медленный разгон в начале пути вряд ли удастся скомпенсировать ближе к концу "полёта" поршня, когда он и так по сути движется едва ли не с максимально возможной скоростью и начинает своё торможение буквально на последней паре сантиметров цилиндра.

Вы не поняли саму идею, разгон в начале будет как раз больше, скорость поршня будет больше чем скорость распрямления пружины, а в конце скорость будет меньше, в принципе можно реализовать механизм так что на момент отскока он будет самозаклиниваться, в качестве наводки могу подсказать механизм запирания ствола пистолета Luger P08, более известного как парабеллум.

Всё очень интересно, но ничего не понятно (с)

Ignat:

Есть пружинно-поршневые винтовки с двумя поршнями, разнонаправленными. Как раз для уравновешивания. Механизм недёшев и относительно капризен, хотя работает по-прежнему только на инерционности, не пытаясь как-то поменять силы или застопорить поршень в крайней точке.

разнонаправленные поршня не избавляют от необходимости иметь тяжёлый поршень, вернее уже два. Основная идея как раз и заключается в избавлении от тяжёлого поршня.

Originally posted by gnom:

Теоретически можно приводить поршень не напрямую, а через рычаг с переменным плечом. Как механизм накачки ИЖ46, только наоборот. И торсионом, наверное, это и правда удобнее.

"К чёрту перья, я должен это видеть" (с)
В смысле хотел бы я увидеть РЕАЛЬНУЮ конструкцию на таком принципе.

Originally posted by volevole:

Вы не поняли саму идею, разгон в начале будет как раз больше, скорость поршня будет больше чем скорость распрямления пружины, а в конце скорость будет меньше

Это, скорее всего, фигня выйдет - в конце как раз нужна максимальная скорость чтобы достичь максимального давления. Иначе воздух просто медленно и печально утечёт в ствол и лениво выплюнет пулю вместо выстрела, если скорость будет реально мала.
Там и так речь идёт примерно о 10м\с, сильно тут ИМХО не наиграть ни в одну сторону.

Originally posted by volevole:

механизм запирания ствола пистолета Luger P08, более известного как парабеллум

Осталось уточнить, будет ли данный механизм срабатывать менее чем за 1 миллисекунду и какой толщины рычаги придётся делать, чтобы выдержать усилие в тонну!
Кардью тоже пытались клиновой механизм создать для блокировки. Не взлетело. А подавляющее количество других механизмов нормально работали при ручной эмуляции выстрела (когда поршень рукой двигали), но успешно отказывались работать при реальном выстреле.

Originally posted by volevole:

разнонаправленные поршня не избавляют от необходимости иметь тяжёлый поршень, вернее уже два. Основная идея как раз и заключается в избавлении от тяжёлого поршня.

Совершенно верно, тут речь исключительно о компенсации, чтобы не было влияния наружу.
Идея избавиться от тяжёлого поршня, конечно, интересная, но, боюсь, весьма технически нетривиальная и, главное, нахрен никому не нужная в практическом плане: спортсмены от ППП ушли давно уже, а в бытовом плане кучности хорошей ППП за глаза и за уши. Получается инженерный курьёз ради самого курьёза.

------
Жизнь хороша, если есть ППШ!

Dark_Nomad:
Всё очень интересно, но ничего не понятно (с)

Присоединяюсь! Главное - непонятно, какое улучшение каких характеристик ППП ожидается получить в итоге (кроме уменьшения массы поршня)?

Ignat:

Это, скорее всего, фигня выйдет - в конце как раз нужна максимальная скорость чтобы достичь максимального давления. Иначе воздух просто медленно и печально утечёт в ствол и лениво выплюнет пулю вместо выстрела, если скорость будет реально мала.
Там и так речь идёт примерно о 10м\с, сильно тут ИМХО не наиграть ни в одну сторону.

нет, общее время хода поршня не изменится, изменится график его движения.

Originally posted by steber:

Главное - непонятно, какое улучшение каких характеристик ППП ожидается получить в итоге (кроме уменьшения массы поршня)?

В теории система с лёгким поршнем и фантастической системой мгновенной фиксации в конце полёта должна повысить кучность и скорость вылета пули.

А также зверски повысить цену, сложность и ненадёжность всей конструкции в целом

------
Жизнь хороша, если есть ППШ!

Originally posted by volevole:

нет, общее время хода поршня не изменится, изменится график его движения.

Ок, нарисуйте, куда Вы надеетесь его изменить?!
Вот график от Кардью. Ваш желаемый график как должен выглядеть???

------
Жизнь хороша, если есть ППШ!

где-то так, в первом приближении

паршиво что у меня нет программного комплекса одновременно эмулирующего и пневматику и механику, да и домашний комп вряд ли его потянет, попробую в Компасе похимичить заменяя пневматику пружинами. Вообщем пока у меня есть мысль я буду её думать))

Originally posted by volevole:

пока у меня есть мысль я буду её думать))

Абсолютно правильно. Поддерживаю. Однако здесь нужны тщательно выверенные предпосылки, чтобы избежать заблуждений. Я помогу немного.
Вы верно сказали, что тяжелый поршень - это промежуточный аккумулятор энергии. Но это не полная характеристика его функции. Он играет роль ОБОСТРИТЕЛЯ МОЩНОСТИ. Поэтому разгоняется и накапливает кинетическую энергию долго (это 90% его полного хода), и отдает энергию газу в момент резкого торможения (10% хода). Короткое время соответствует разгону легкой пульки. Возложить функцию - ГЕНЕРАЦИИ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ - на любой псевдо-рычажный механизм не получается при отсутствии инерционных масс. Даже теоретически.

Лет 15 назад я подвиг своего студента дипломника померить динамику поршня на ИЖ-60. Повторили эксперименты Кардью. Меряли на собранном стендике: спец. потенциометр, осциллораф С8-9А. Также измеряли и давление пьезодатчиком, но с его калибровкой были затруднения.

Тогда было интересно,потому что я делал Тяни-Толкая. То есть двухпоршневую, которую потом оформил как "Тотоша". Дерево для <Тотоши> или my handmade и как стреляет деревяшка
Кстати, до сих пор безотказно постреливает.

docalex:

Абсолютно правильно. Поддерживаю. Однако здесь нужны тщательно выверенные предпосылки, чтобы избежать заблуждений. Я помогу немного.
Вы верно сказали, что тяжелый поршень - это промежуточный аккумулятор энергии. Но это не полная характеристика его функции. Он играет роль ОБОСТРИТЕЛЯ МОЩНОСТИ. Поэтому разгоняется и накапливает энергию долго (это 90% его полного хода), и отдает энергию газу в момент резкого торможения (10% хода). Короткое время соответствует разгону легкой пульки. Возложить функцию - ГЕНЕРАЦИИ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ - на любой псевдо-рычажный механизм не получается. Даже теоретически.

Вот это как раз заблуждение, поскольку поршень придаёт потенциальную энергию газу во время всего процесса своего движения, в принципе, можно посчитать какая часть энергии приходится на процесс торможения поршня исходя из объёма и давления сжимаемого газа, но это даже не столь важно, поскольку из графика движения поршня видно, что именно эта часть энергии теряется при отскоке поршня

В принципе, против такой конструкции играет более медленное нарастание давления в момент страгивания пули, что делает такую конструкцию весьма чувствительной к качеству обтюрации, а значит к качеству самих пуль, но поскольку речь идёт не о ширпотребовских винтовках за 100 долларов, а об оружии премиум класса, то это этот недостаток , имхо, прощаем.

Originally posted by volevole:

Вот это как раз заблуждение, поскольку поршень придаёт потенциальную энергию газу во время всего процесса своего движения, в принципе, можно посчитать

А здесь учите уравнение состояния газа. Адиабатическое сжатие P*V^1.4= const, пока пулька не стронется. И на каком этапе срабатывается кин. энергия поршня. Тогда почувствуете. Хотя и по графику видно, что интервал времени для реверса хода поршня очень мал по сравнению с временем разгона.
Я все сказал, думайте.

Изобретать надо по Альтшуллеру.

Что мы хотим в идеале? Пока не понятно

я учитываю, Вы можете указать на приведённых графиках момент страгивания пули?

Пусть есть бесконечно большая газовая пружина со штоком нулевой массы, которую можно сжать на dx.

И чего хотим?

Originally posted by volevole:

момент страгивания пули?

0,5-0,7 мс до точки реверса поршня. Это все считается элементарно написанной программой, учитывающей усилие страгивания пули 50-40 Н.

docalex:

0,5-0,7 мс до точки реверса поршня. Это все считается элементарно написанной программой, учитывающей усилие страгивания пули 50-40 Н.

следовательно после страгивания пули происходит отскок поршня и энергия газа тратится не столько на движение пули, сколько на обратное перемещение поршня, давление в камере при этом падает и последующее его поддержание идёт уже за счёт энергии пружины и так малой в конце хода да ещё и вынужденной снова разгонять тяжёлый поршень. Программу Spring AirGun я видел, собственно графики в ней меня и натолкнули на мысль предложенную к рассмотрению в данной теме.

ag111:
Пусть есть бесконечно большая газовая пружина со штоком нулевой массы, которую можно сжать на dx.

И чего хотим?

это слишком умозрительно и малоприменимо к реалиям, но в таком аспекте допустим хотим получить сверхзвуковую скорость поршня.

ag111:
Изобретать надо по Альтшуллеру.

Что мы хотим в идеале? Пока не понятно

я лет 20 занимаюсь ТРИЗ, в идеале хотим получить лёгкий поршень исполняющий функции тяжёлого.

volevole:

, в идеале хотим получить лёгкий поршень исполняющий функции тяжёлого.

Это не цель, это промежуточный этап. Цель не ясна.

volevole:

это слишком умозрительно и малоприменимо к реалиям, но в таком аспекте допустим хотим получить сверхзвуковую скорость поршня.

В вакууме? Или сначала разгоняем и затем поршень влетает в цилиндр?

Предположим что делаем игрушку до 3 Дж, и мощь газовой пружины много больше потребной энергии пули. Хотим достигнуть теоретического максимума КПД?

Что будет, если сечение цилиндра много больше, чем сечение ствола? Тогда тоже надо сверхзвуковую скорость поршня? Скорость звука при какой температуре? Мне искренне не понятно.